קבריידר הדרון הגדול וגבול הפיזיקה

ה מדע של פיזיקת החלקיקים מסתכל על אבני הבניין של החומר - האטומים והחלקיקים המרכיבים חלק גדול מהחומר בקוסמוס. זהו מדע מורכב הדורש מדידות קפדניות של חלקיקים הנעים במהירות גבוהה. מדע זה קיבל דחיפה עצומה כאשר ה- Big Hadron Collider (LHC) החל לפעול בספטמבר 2008. שמו נשמע מאוד "מדעי-בדיוני", אך המלה "קולדר" מסבירה למעשה מה היא עושה: שלח שתי קרני חלקיקים בעלות אנרגיה גבוהה כמעט במהירות האור בסביבת תת קרקעית באורך 27 ק"מ צלצול. בזמן הנכון, הקורות נאלצות "להתנגש". פרוטונים בקורות ואז מתנפצים זה לזה, ואם הכל מסתדר, פיסות וקטעים קטנים יותר - המכונים חלקיקים תת אטומיים - נוצרים לרגעים קצרים בזמן. מעשיהם וקיומם נרשמים. מפעילות זו, פיזיקאים לומדים יותר על המרכיבים הבסיסיים ביותר של החומר.

ה- LHC נבנה כדי לענות על כמה שאלות חשובות להפליא בפיזיקה, ומתעמק מאיפה המסה מגיעה, מדוע הקוסמוס עשוי מחומר במקום ה"חומר "ההפוך שלו שנקרא אנטי-חומר, ומה יכול להיות ש"החומר "המסתורי המכונה חומר אפל יכול להיות. זה יכול גם לספק רמזים חדשים וחשובים לגבי תנאים ביקום המוקדם מאוד כאשר כוח הכבידה ו כוחות אלקטרומגנטיים שולבו כולם עם הכוחות החלשים והחזקים והופכים לכל אחד כוח. זה קרה רק זמן קצר ביקום המוקדם, ופיזיקאים רוצים לדעת מדוע ואיך הוא השתנה.

המדע של פיזיקת החלקיקים הוא למעשה החיפוש אחר אבני הבניין הבסיסיות ביותר של החומר. אנו יודעים על האטומים והמולקולות המרכיבות את כל מה שאנו רואים ומרגישים. האטומים עצמם מורכבים מרכיבים קטנים יותר: הגרעין והאלקטרונים. הגרעין עצמו מורכב מפרוטונים וניוטרונים. עם זאת, זה לא סוף הקו. הנויטרונים מורכבים מחלקיקים תת-אטומיים הנקראים קווארקים.

האם יש חלקיקים קטנים יותר? זה מה שמאיצי החלקיקים נועדו לגלות. הדרך בה הם עושים זאת היא ליצור תנאים דומים לאיך שהיה ממש אחרי המפץ הגדול - האירוע שהתחיל את היקום. באותה נקודה, לפני 13.7 מיליארד שנה, היקום היה עשוי רק מחלקיקים. הם היו מפוזרים בחופשיות בקוסמוס התינוקות ושוטטו ללא הפסקה. אלה כוללים מזונים, פיונים, בריונים והדרונים (עליהם נקרא המאיץ).

פיסיקאים של חלקיקים (האנשים החוקרים חלקיקים אלה) חושדים כי החומר מורכב לפחות משנים עשר סוגים של חלקיקים יסודיים. הם מחולקים לקווארקים (שהוזכרו לעיל) ולפטונים. ישנם שישה מכל סוג. זה מהווה רק חלק מהחלקיקים הבסיסיים בטבע. השאר נוצרים בהתנגשויות סופר-אנרגטיות (אם במפץ הגדול או במאיצים כמו ה- LHC). בתוך ההתנגשויות הללו, פיסיקאים של חלקיקים זוכים להצצה מהירה מאוד אל התנאים שהיו במפץ הגדול, כאשר נוצרו לראשונה החלקיקים היסודיים.

ה- LHC הוא מאיץ החלקיקים הגדול ביותר בעולם, אחות גדולה לפרמילאב באילינוי ומאיצות קטנות יותר. LHC ממוקם בסמוך לז'נבה שבשוויץ, שנבנה ומופעל על ידי הארגון האירופי לחקר הגרעין, ומשמש אותו יותר מ 10,000 מדענים מרחבי העולם. לאורך הטבעת שלה, פיזיקאים וטכנאים התקנו מגנטים מקוררים-עוצמה חזקים במיוחד, המנחים ומעצבים את קורות החלקיקים דרך צינור קרן). ברגע שהקורות נעות די מהר, מגנטים מתמחים מנחים אותם לתנוחות הנכונות בהן מתרחשות ההתנגשויות. גלאים מיוחדים רושמים את ההתנגשויות, החלקיקים, הטמפרטורות ותנאים אחרים באותה העת מההתנגשות, ופעולות החלקיקים במיליארדי השניה שבמהלכם מתרחשות ההתנפצות מקום.

כשפיזיקאים של חלקיקים תכננו ובנו את ה- LHC, דבר אחד שהם קיוו למצוא לכך הוכחות ההיגס בוסון. זה חלקיק שנקרא על שמו פיטר היגס, שחזה את קיומו. בשנת 2012 הודיע ​​קונסורציום LHC כי ניסויים חשפו את קיומו של בוזון שתואם את הקריטריונים הצפויים עבור היגס בוסון. בנוסף לחיפוש המתמשך אחר היגס, מדענים המשתמשים ב- LHC יצרו מה שמכונה "פלזמה של קווארק-גלון", שהוא החומר הצפוף ביותר שנחשבה להתקיים מחוץ לחור שחור. ניסויים אחרים בחלקיקים מסייעים לפיזיקאים להבין סימטריה העל, שהיא סימטריה בחלל המערבת שני סוגים קשורים של חלקיקים: בוזונים ופיריון. כל קבוצה של חלקיקים נחשבת לחלקיק השני של חלקיקים סופר-חלקיים. הבנת העל-סימטריה כזו תיתן למדענים תובנות נוספות במה שמכונה "המודל הסטנדרטי". זו תיאוריה שמסבירה מה העולם, מה מחבר את החומר שלו יחד, ואת הכוחות והחלקיקים המעורבים.

הפעילות ב- LHC כללה שתי ריצות "התבוננות" עיקריות. בין כל אחת מהן, המערכת משופצת ומשודרגת כדי לשפר את המכשור והגלאים שלה. העדכונים הבאים (המיועדים לשנת 2018 ואילך) יכללו עלייה במהירויות התנגשות, וסיכוי להגדיל את אור הזוהר של המכונה. פירוש הדבר הוא ש- LHC יוכל לראות תהליכים נדירים יותר ומתרחשים במהירות של האצת החלקים והתנגשות. ככל שההתנגשויות יכולות להתרחש מהר יותר, כך האנרגיה תשתחרר ככל שיהיו מעורבים חלקיקים קטנים יותר וקשים יותר לאיתור. זה ייתן לפיזיקאים של החלקיקים מבט טוב עוד יותר על אבני הבניין של החומר המרכיבים את הכוכבים, הגלקסיות, כוכבי הלכת והחיים.